高中生物學(xué)科思想方法的思考

林松

摘 要 以高中生物學(xué)科知識(shí)為載體，挖掘其中蘊(yùn)含的部分學(xué)科思想，通過案例說明學(xué)科思想對(duì)方法的指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞 學(xué)科思想 學(xué)科方法 教育價(jià)值 實(shí)驗(yàn)探究

中圖分類號(hào) Q-49 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 E

在當(dāng)代科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中，基因工程、生物芯片、克隆技術(shù)等生物技術(shù)在社會(huì)發(fā)展中顯示出強(qiáng)大的經(jīng)濟(jì)力量，其中所蘊(yùn)含的生物科學(xué)思想、原理和方法，正在對(duì)其他學(xué)科和社會(huì)變革產(chǎn)生廣泛而深遠(yuǎn)的影響。對(duì)學(xué)生進(jìn)行生物學(xué)科思想教育能在很大程度上影響著學(xué)生未來知識(shí)儲(chǔ)存和能力發(fā)揮的狀況，對(duì)提升生物課程的教育價(jià)值有一定意義。

1 生物學(xué)科思想與學(xué)科方法的教育價(jià)值

1.1 生物學(xué)科思想與學(xué)科方法的思辨

生物學(xué)科思想是人們對(duì)生命科學(xué)本質(zhì)規(guī)律的理性認(rèn)識(shí)；而生物學(xué)科方法是在解決生物學(xué)科問題過程中所采用的各種手段和途徑。二者既有聯(lián)系又有區(qū)別，生物學(xué)思想是生物學(xué)方法的理論基礎(chǔ)，生物學(xué)方法是實(shí)施有關(guān)生物學(xué)思想的技術(shù)手段。運(yùn)用學(xué)科方法解決問題的過程，是感性認(rèn)識(shí)不斷積累的過程，當(dāng)這種積累達(dá)到一定程度就會(huì)產(chǎn)生飛躍，從而上升為學(xué)科思想；而生物學(xué)科思想是生物學(xué)知識(shí)的精華，又反過來對(duì)學(xué)科方法起著指導(dǎo)作用，為學(xué)生理解和掌握生物學(xué)的本質(zhì)提供了優(yōu)化的途徑。

1.2 生物學(xué)科思想與學(xué)科方法的教育價(jià)值

長期以來，生物學(xué)教育過分注重知識(shí)的傳授，對(duì)生物學(xué)概念和定律的發(fā)生發(fā)展過程揭示不夠，更忽視了讓學(xué)生通過體驗(yàn)去思考知識(shí)背后的思想和方法，因此學(xué)生所學(xué)的知識(shí)很難在不同情境中靈活地遷移，束縛了學(xué)生創(chuàng)造性思維的發(fā)散。學(xué)科思想相對(duì)于零散的知識(shí)點(diǎn)而言，更易內(nèi)化為人的主觀認(rèn)識(shí)，因此在生物教學(xué)中，以大量的知識(shí)為載體，讓學(xué)生在認(rèn)同和理解學(xué)科思想和方法的基礎(chǔ)上，通過實(shí)踐形成自身的情感、態(tài)度和價(jià)值觀，這將直接影響他們對(duì)生命本質(zhì)認(rèn)識(shí)的敏銳性和準(zhǔn)確性，對(duì)學(xué)科思維的形成有一定的指導(dǎo)作用。

2 生物學(xué)科思想的內(nèi)涵

生物學(xué)科思想指那些對(duì)學(xué)科學(xué)習(xí)最具影響力的觀念、思想和見解，它們內(nèi)隱并不外顯，積淀在生物學(xué)知識(shí)的形成過程中。從這個(gè)意義上說，教師在講解生物學(xué)知識(shí)時(shí)，應(yīng)該挖掘這些思想內(nèi)涵，并將其自然而然地呈現(xiàn)出來并獲得認(rèn)同。這也是教師引導(dǎo)水平與課堂智慧的體現(xiàn)。

2.1 辨證唯物主義思想

在生物學(xué)中包涵著許多自然辯證法思想，其核心就是對(duì)立統(tǒng)一的思想，在生命活動(dòng)的過程中，普遍存在許多矛盾的運(yùn)動(dòng)，例如同化作用與異化作用、遺傳與變異、生物適應(yīng)性的普遍性和相對(duì)性等。這些都表現(xiàn)出對(duì)立統(tǒng)一的關(guān)系。同化與異化作用的對(duì)立統(tǒng)一是生命活動(dòng)的基礎(chǔ)，而生命繁衍過程中的遺傳和變異，在維持物種穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上發(fā)展生物的多樣性，是推動(dòng)生物進(jìn)化的內(nèi)在動(dòng)力。

生命運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)是生物體內(nèi)物質(zhì)的化學(xué)變化，生命科學(xué)研究中越來越多地運(yùn)用物理和化學(xué)手段來揭示生命運(yùn)動(dòng)的規(guī)律恰恰基于世界的物質(zhì)觀，因?yàn)榧?xì)胞和組織都是物質(zhì)的、運(yùn)動(dòng)的。

從病毒、細(xì)菌、植物、動(dòng)物直至人類，生物世界盡管表現(xiàn)形式千姿百態(tài)，但不同的生物卻高度統(tǒng)一，其最基本的組成物質(zhì)都是核酸和蛋白質(zhì)，并且無論生物的進(jìn)化位置如何，幾乎都在遺傳表達(dá)中使用同一套遺傳密碼。教師在教學(xué)中適時(shí)向?qū)W生展示在分子進(jìn)化上所體現(xiàn)的“大一統(tǒng)”的格局，有利于促進(jìn)學(xué)生形成辯證的思維方式，客觀而理性地看待生物的適應(yīng)性與多樣性。

2.2 自組織與非因果決定性思想

奧地利物理學(xué)家薛定諤曾在《生命是什么》中指出：“用經(jīng)典物理學(xué)和化學(xué)去描述生命現(xiàn)象是不可能的，經(jīng)典物理學(xué)中一種原因只能產(chǎn)生一種結(jié)果的機(jī)械決定論模式并不適應(yīng)生命世界。”

生命系統(tǒng)最基本的特性是開放性和自組織，即通過與外界環(huán)境交換物質(zhì)和能量，通過自身的演化而形成的一個(gè)穩(wěn)定而有序的系統(tǒng)，但這種穩(wěn)定不是封閉系統(tǒng)中的平衡，而是一種動(dòng)態(tài)的平衡，是一種相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。因此復(fù)雜的生命系統(tǒng)在與環(huán)境共同作用的過程中，既有規(guī)律可循，同時(shí)也存在很多不可預(yù)測的“變數(shù)”。例如傳統(tǒng)遺傳學(xué)認(rèn)為一種性狀由一對(duì)基因決定，二者之間有決定性的因果關(guān)系，但是，這種簡單的模式不利于了解生物大多數(shù)復(fù)雜的性狀，許多性狀由多對(duì)基因控制，它們控制著生物體內(nèi)成千上萬的化學(xué)反應(yīng)，同時(shí)反應(yīng)的產(chǎn)物又會(huì)反作用于基因的表達(dá)，這些基因的傳遞并不簡單地遵循孟德爾遺傳定律，這種基因與環(huán)境之間高度復(fù)雜的交互作用決定某種性狀出現(xiàn)的傾向性和易感性，并非因果關(guān)系。生命運(yùn)動(dòng)的每一個(gè)過程都有非常多的發(fā)展方向，生物體內(nèi)中某個(gè)微小的變化就可能改變這個(gè)系統(tǒng)的演化方向，正是因?yàn)樯到y(tǒng)具有混沌和非線性的特點(diǎn)，生命現(xiàn)象和生命活動(dòng)的規(guī)律往往并不遵循因果決定原則，大都表現(xiàn)為統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上的規(guī)律，這種概率性源于生物的個(gè)體差異和隨機(jī)性，與機(jī)械運(yùn)動(dòng)有著明顯的不同。

教師在教學(xué)過程中滲透自組織與非因果決定性思想，可以幫助學(xué)生從整體觀來認(rèn)識(shí)生命運(yùn)動(dòng)的不確定性，用多元、理性和寬容的觀點(diǎn)來看待生命科學(xué)的發(fā)展。

2.3 信息流思想

生命系統(tǒng)是物質(zhì)、能量和信息的統(tǒng)一體，掌握生命活動(dòng)的規(guī)律，不僅要研究生命活動(dòng)中的物質(zhì)和能量的變化，還要研究系統(tǒng)內(nèi)部的信息傳遞作用。生命活動(dòng)中的許多過程，如生長發(fā)育繁衍過程、免疫反應(yīng)以及生態(tài)平衡等，雖然外部表現(xiàn)為物質(zhì)或能量的變化，但本質(zhì)都是信息的傳遞和交流的過程。

生命活動(dòng)的信息流主要包括遺傳信息流、生命活動(dòng)信息流與生態(tài)系統(tǒng)信息流。遺傳信息流即“中心法則”，指遺傳信息的傳遞與表達(dá)的過程，該過程指導(dǎo)著細(xì)胞中物質(zhì)和能量的一系列變化從而控制生物的性狀；生命活動(dòng)的信息流即生物體的應(yīng)激調(diào)節(jié)，通過特定細(xì)胞釋放的激素、乙酰膽堿等化學(xué)信號(hào)分子經(jīng)體液運(yùn)輸?shù)竭_(dá)靶細(xì)胞，啟動(dòng)靶細(xì)胞一系列生化反應(yīng)，以適應(yīng)不斷變化的外部環(huán)境；生態(tài)系統(tǒng)信息流指生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部的信息交流，即生物之間通過物理、化學(xué)和行為信息等調(diào)節(jié)生物的種內(nèi)與種間關(guān)系，從而維持生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。教師在教學(xué)中幫助學(xué)生從信息論的視角認(rèn)識(shí)生命現(xiàn)象，有利于使學(xué)生認(rèn)識(shí)不同層次生命系統(tǒng)的反饋調(diào)節(jié)機(jī)制，使他們形成一個(gè)較全面的動(dòng)態(tài)平衡思想，從而更好地理解生產(chǎn)生活實(shí)踐中相關(guān)原理的運(yùn)用。endprint

2.4 生物演化思想

生物進(jìn)化是指生命形態(tài)發(fā)生、發(fā)展演變的過程。高中生物教材中不僅有專門的章節(jié)表述（人教社必修2的第七章“現(xiàn)代生物進(jìn)化理論簡介”），而且整個(gè)教材不管是內(nèi)容編排還是知識(shí)結(jié)構(gòu)上，都折射出進(jìn)化的思想。

現(xiàn)代達(dá)爾文主義認(rèn)為，變異、選擇和適應(yīng)貫穿在任何一個(gè)物種的演化過程中，這是生物與環(huán)境相互作用的結(jié)果。例如在有性生殖的過程中，由于配子形成過程中染色體組成的多樣性與精卵結(jié)合的隨機(jī)性，同一雙親的后代呈現(xiàn)幾乎無限的多樣性，另外由于性別、年齡、免疫系統(tǒng)以及在開放系統(tǒng)中所收集到的信息不同，有性生殖的種群中不存在兩個(gè)完全相同的個(gè)體。再比如高等生物每105～108個(gè)生殖細(xì)胞才有一個(gè)發(fā)生基因突變，但在擁有大量個(gè)體的群體中就足以提供豐富的變異來源，多樣性為生物進(jìn)化提供大量的選擇材料，生物圈就在這樣的物種演變中維持著自身結(jié)構(gòu)與功能的穩(wěn)定性。

教師在教學(xué)過程中融入進(jìn)化的觀點(diǎn)，可幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)到生物進(jìn)化是物種演變而非物種進(jìn)步，因此人類只不過是自然界眾多物種的一個(gè)分支，人類的行為作為自組織系統(tǒng)的一個(gè)部分也將影響自然界中物種的演變，從而最終改變?nèi)祟愖约骸?/p>

3 生物學(xué)科方法示例

認(rèn)識(shí)生命現(xiàn)象，探究生命活動(dòng)本質(zhì)的過程離不開科學(xué)的方法。從方法論的角度看，生命科學(xué)研究的方法包括一般科學(xué)方法和具體科學(xué)方法。一般科學(xué)方法包括觀察、調(diào)查、分類、實(shí)驗(yàn)、分析等。具體科學(xué)方法指控制變量法、假說演繹法、模型構(gòu)建法等。生命科學(xué)的研究往往是通過大量的實(shí)驗(yàn)證據(jù)來支持某個(gè)生物學(xué)的觀點(diǎn)，圖1以實(shí)驗(yàn)探究為例說明生命科學(xué)研究的特殊方法。

實(shí)驗(yàn)探究是針對(duì)研究目的，在人為控制條件的基礎(chǔ)上，對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行干預(yù)或處理后，觀測所產(chǎn)生效應(yīng)的研究方法。該過程包括提出問題、作出假設(shè)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、實(shí)施實(shí)驗(yàn)、分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果等（圖1）。

案例：探究鉛中毒對(duì)大鼠學(xué)習(xí)記憶的影響。

步驟一：提出問題，做出假設(shè)。

汽車尾氣及工廠排放出的廢氣使空氣中聚集大量的鉛塵，鉛塵懸浮物離地面大約0.8 m，因此鉛會(huì)輕易地通過呼吸道和消化道進(jìn)入兒童體內(nèi)；另外兒童喜食的膨化食品、經(jīng)常用的蠟筆、鉛筆和一些色彩特別鮮艷的圖書、餐具以及用油漆刷過的積木等玩具，都含有鉛的成分，經(jīng)常接觸鉛的孩子行為活動(dòng)能力減慢。由該背景作出假設(shè)：鉛中毒可能影響動(dòng)物的神經(jīng)活動(dòng)。

步驟二：設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案并實(shí)施。

選擇大鼠為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，分為四組，設(shè)置三個(gè)醋酸鉛溶液飲用水平：0.05、1、2 g·L-1，對(duì)照組飲用蒸餾水。連續(xù)飼喂60 d后，進(jìn)行水迷宮實(shí)驗(yàn)，在池水中加入少量墨水使大鼠無法看到水下隱蔽平臺(tái)。讓大鼠從四個(gè)方向入水點(diǎn)入水，訓(xùn)練其尋找水面下隱蔽平臺(tái)。重復(fù)訓(xùn)練4 d后撤去平臺(tái)。

本實(shí)驗(yàn)醋酸鉛染毒組為實(shí)驗(yàn)組，飲水組為對(duì)照組，測定從入水點(diǎn)到原平臺(tái)水域的時(shí)間用以反映大鼠學(xué)習(xí)記憶的能力。如果條件許可，還可測定腦組織勻漿鉛含量及乙酰膽堿酯酶（AchE）活性。

步驟三：記錄與整理數(shù)據(jù)。

本實(shí)驗(yàn)可能受到的影響因素很多，大鼠的個(gè)體差異、水浴溫度、入水方向、人為操作與觀察角度的變化等因素均可能干擾大鼠尋找平臺(tái)。為減少誤差，由同一人采用固定的操作模式，大鼠訓(xùn)練時(shí)不要有人在場，在另一處用視頻探頭跟蹤觀察。應(yīng)盡可能采集足夠的樣本數(shù)量，及時(shí)記錄并整理。

步驟四：分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果是否支持假設(shè)。

飲用水中醋酸鉛濃度越高，大鼠到達(dá)原平臺(tái)水域的時(shí)間越長，說明鉛中毒可能影響大鼠的學(xué)習(xí)記憶能力，支持假設(shè)。

該活動(dòng)涉及到生命周期、環(huán)境控制、變化緩慢等問題，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的離散度比較大，得出結(jié)論并非易事，。在討論交流的過程中，學(xué)生認(rèn)識(shí)到對(duì)于復(fù)雜的生命系統(tǒng)的研究，不能只進(jìn)行單因子分析，還應(yīng)分析無關(guān)變量對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，揭示控制條件與觀測結(jié)果的對(duì)應(yīng)關(guān)系必須有大量的樣本支持，該活動(dòng)的結(jié)果表現(xiàn)為統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上的規(guī)律。

該案例為2013年全國高考福建生物卷第27題的背景，其中所蘊(yùn)含的生物學(xué)科思想和方法非常豐富，校本選修活動(dòng)借鑒該背景開展實(shí)驗(yàn)探究，有利于培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究的能力和勇于探索的科學(xué)精神。

總而言之，學(xué)科思想方法的教育理念對(duì)教師的專業(yè)素養(yǎng)與引導(dǎo)水平提出了更高的要求，教師有意識(shí)地通過生物學(xué)科知識(shí)引發(fā)學(xué)生思考，讓學(xué)生在“方法”或“哲學(xué)”層面上認(rèn)識(shí)生命運(yùn)動(dòng)的一般規(guī)律，是生物課程教育價(jià)值的重要體現(xiàn)。

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